Ciclo Diesel - Diesel cycle

Termodinâmica
O motor térmico clássico de Carnot
Galhos Clássico Estatístico Químico Termodinâmica quântica Equilíbrio  / Não equilíbrio
Leis Zero Primeiro Segundo Terceiro
Sistemas Sistema fechado Sistema isolado Estado Equação de estado Gás ideal Gás real Estado da matéria Fase (matéria) Equilíbrio Volume de controle Instrumentos Processos Isobárico Isocórico Isotérmico Adiabático Isentrópico Isentálpico Quasistático Politrópico Expansão grátis Reversibilidade Irreversibilidade Endoreversibilidade Ciclos Motores térmicos Bombas de calor Eficiência térmica
Propriedades do sistema Nota: Variáveis ​​conjugadas em itálico Diagramas de propriedade Propriedades intensivas e extensas Funções de processo Trabalhos Aquecer Funções de estado Temperatura  / Entropia  ( introdução ) Pressão  / Volume Potencial químico  / número de partículas Qualidade do vapor Propriedades reduzidas
Propriedades do material Bancos de dados de propriedades Capacidade de calor específica  ${\ displaystyle c =}$ ${\ displaystyle T}$ ${\ displaystyle \ parcial S}$ ${\ displaystyle N}$ ${\ displaystyle \ parcial T}$ Compressibilidade  ${\ displaystyle \ beta = -}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ parcial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ parcial p}$ Expansão térmica  ${\ displaystyle \ alpha =}$ ${\ displaystyle 1}$ ${\ displaystyle \ parcial V}$ ${\ displaystyle V}$ ${\ displaystyle \ parcial T}$
Equações Teorema de Carnot Teorema de Clausius Relação fundamental Lei do gás ideal Relações de Maxwell Relações recíprocas do Onsager Equações de Bridgman Tabela de equações termodinâmicas
Potenciais Energia livre Entropia livre
História Cultura História Em geral Entropia Leis de gás Máquinas de "movimento perpétuo" Filosofia Entropia e tempo Entropia e vida Catraca browniana Demônio de maxwell Paradoxo da morte por calor Paradoxo de Loschmidt Sinergética Teorias Teoria calórica Vis viva ("força viva") Equivalente mecânico de calor Poder da motivação Publicações principais " Uma investigação experimental sobre ... calor " " Sobre o equilíbrio das substâncias heterogêneas " " Reflexões sobre a força motriz do fogo " Linhas do tempo Termodinâmica Motores térmicos Arte Educação Superfície termodinâmica de Maxwell Entropia como dispersão de energia
Cientistas Bernoulli Boltzmann Carnot Clapeyron Clausius Carathéodory Duhem Gibbs von Helmholtz Joule Maxwell von Mayer Onsager Rankine Smeaton Stahl Thompson Thomson van der Waals Waterston
Outro Nucleação Auto-montagem Auto-organização Ordem e desordem
Categoria
v t e

O ciclo Diesel é um processo de combustão de um motor alternativo de combustão interna . Nele, o combustível é inflamado pelo calor gerado durante a compressão do ar na câmara de combustão, na qual o combustível é então injetado. Isso contrasta com a ignição da mistura ar-combustível com uma vela de ignição, como no motor do ciclo Otto ( quatro tempos / gasolina). Os motores diesel são usados em aviões , automóveis , geração de energia , diesel-elétrico locomotivas , e ambos superfície navios e submarinos .

O ciclo Diesel é assumida para ter a pressão constante durante a parte inicial da fase de combustão ( a no diagrama, abaixo). Este é um modelo matemático idealizado: os motores diesel físicos reais têm um aumento na pressão durante este período, mas é menos pronunciado do que no ciclo de Otto. Em contraste, o ciclo Otto idealizado de um motor a gasolina se aproxima de um processo de volume constante durante essa fase. ${\ displaystyle V_ {2}}$${\ displaystyle V_ {3}}$

Ciclo Diesel Idealizado

Diagrama pV para o ciclo Diesel ideal . O ciclo segue os números 1-4 no sentido horário.

A imagem mostra um diagrama pV para o ciclo Diesel ideal; onde é a pressão e V o volume ou o volume específico se o processo for colocado em uma base de massa unitária. A idealizado ciclo Diesel assume um gás ideal e ignora combustão química, Exaustão e procedimentos de recarga e segue simplesmente quatro processos distintos: ${\ displaystyle p}$${\ displaystyle v}$

• 1 → 2: compressão isentrópica do fluido (azul)
• 2 → 3: aquecimento de pressão constante reversível (vermelho)
• 3 → 4: expansão isentrópica (amarelo)
• 4 → 1: resfriamento reversível de volume constante (verde)

O motor Diesel é um motor térmico: ele converte calor em trabalho . Durante os processos isentrópicos inferiores (azul), a energia é transferida para o sistema na forma de trabalho , mas por definição (isentrópica) nenhuma energia é transferida para dentro ou para fora do sistema na forma de calor. Durante o processo de pressão constante (vermelho, isobárico ), a energia entra no sistema como calor . Durante os processos isentrópicos superiores (amarelo), a energia é transferida para fora do sistema na forma de , mas por definição (isentrópica) nenhuma energia é transferida para dentro ou para fora do sistema na forma de calor. Durante o processo de volume constante (verde, isocórico ), parte da energia flui para fora do sistema como calor por meio do processo correto de despressurização . O trabalho que sai do sistema é igual ao trabalho que entra no sistema mais a diferença entre o calor adicionado ao sistema e o calor que sai do sistema; em outras palavras, o ganho líquido de trabalho é igual à diferença entre o calor adicionado ao sistema e o calor que sai do sistema. ${\ displaystyle W_ {in}}$${\ displaystyle Q_ {in}}$${\ displaystyle W_ {out}}$${\ displaystyle Q_ {out}}$

• O trabalho em ( ) é feito pelo pistão comprimindo o ar (sistema)${\ displaystyle W_ {in}}$
• O calor em ( ) é feito pela combustão do combustível${\ displaystyle Q_ {in}}$
• Work out ( ) é feito pelo fluido de trabalho expandindo e empurrando um pistão (isso produz trabalho utilizável)${\ displaystyle W_ {out}}$
• A saída de calor ( ) é feita ventilando o ar${\ displaystyle Q_ {out}}$
• Rede de trabalho produzida = -${\ displaystyle Q_ {in}}$${\ displaystyle Q_ {out}}$

A rede produzida também é representada pela área delimitada pelo ciclo no diagrama PV. A rede é produzida por ciclo e também é chamada de trabalho útil, pois pode ser voltada para outros tipos de energia útil e impulsionar um veículo ( energia cinética ) ou produzir energia elétrica. A soma de muitos desses ciclos por unidade de tempo é chamada de potência desenvolvida. O também é chamado de trabalho bruto, parte do qual é usado no próximo ciclo do motor para comprimir a próxima carga de ar. ${\ displaystyle W_ {out}}$

Máxima eficiência térmica

A eficiência térmica máxima de um ciclo Diesel depende da taxa de compressão e da taxa de corte. Tem a seguinte fórmula sob análise padrão de ar frio :

${\ displaystyle \ eta _ {th} = 1 - {\ frac {1} {r ^ {\ gamma -1}}} \ left ({\ frac {\ alpha ^ {\ gamma} -1} {\ gamma ( \ alpha -1)}} \ right)}$

Onde

${\ displaystyle \ eta _ {th}}$é a eficiência térmica

${\ displaystyle \ alpha}$é a taxa de corte (relação entre o volume final e inicial para a fase de combustão)${\ displaystyle {\ frac {V_ {3}} {V_ {2}}}}$

r é a taxa de compressão ${\ displaystyle {\ frac {V_ {1}} {V_ {2}}}}$

${\ displaystyle \ gamma}$é a proporção de calores específicos (C _p / C _v )

A taxa de corte pode ser expressa em termos de temperatura, conforme mostrado abaixo:

${\ displaystyle {\ frac {T_ {2}} {T_ {1}}} = {\ left ({\ frac {V_ {1}} {V_ {2}}} \ right) ^ {\ gamma -1} } = r ^ {\ gamma -1}}$

${\ displaystyle \ displaystyle {T_ {2}} = {T_ {1}} r ^ {\ gamma -1}}$

${\ displaystyle {\ frac {V_ {3}} {V_ {2}}} = {\ frac {T_ {3}} {T_ {2}}}}$

${\ displaystyle \ alpha = \ left ({\ frac {T_ {3}} {T_ {1}}} \ right) \ left ({\ frac {1} {r ^ {\ gamma -1}}} \ right )}$

${\ displaystyle T_ {3}}$pode ser aproximada à temperatura da chama do combustível usado. A temperatura da chama pode ser aproximada à temperatura da chama adiabática do combustível com a razão ar-combustível e pressão de compressão correspondentes . pode ser aproximada à temperatura do ar de entrada. ${\ displaystyle p_ {3}}$${\ displaystyle T_ {1}}$

Esta fórmula fornece apenas a eficiência térmica ideal. A eficiência térmica real será significativamente menor devido às perdas de calor e fricção. A fórmula é mais complexa do que a relação do ciclo Otto (motor gasolina / gasolina) que tem a seguinte fórmula:

${\ displaystyle \ eta _ {otto, th} = 1 - {\ frac {1} {r ^ {\ gamma -1}}}}$

A complexidade adicional para a fórmula Diesel surge porque a adição de calor está em pressão constante e a rejeição de calor está em volume constante. O ciclo Otto, em comparação, tem a adição e a rejeição de calor em volume constante.

Comparando a eficiência com o ciclo Otto

Comparando as duas fórmulas pode-se ver que para uma dada taxa de compressão ( r ), o ciclo de Otto ideal será mais eficiente. No entanto, um motor diesel real será mais eficiente no geral, pois terá a capacidade de operar em taxas de compressão mais altas. Se um motor a gasolina tivesse a mesma taxa de compressão, então ocorreria uma detonação (autoignição) e isso reduziria drasticamente a eficiência, enquanto em um motor a diesel, a autoignição é o comportamento desejado. Além disso, ambos os ciclos são apenas idealizações, e o comportamento real não se divide tão clara ou nitidamente. Além disso, a fórmula do ciclo Otto ideal declarada acima não inclui perdas por estrangulamento, que não se aplicam aos motores a diesel.

Formulários

Motores a diesel

Os motores a diesel têm o menor consumo específico de combustível de qualquer grande motor de combustão interna empregando um único ciclo, 0,26 lb / hp · h (0,16 kg / kWh) para motores marítimos muito grandes (usinas de ciclo combinado são mais eficientes, mas empregam dois motores em vez do que um). Os motores diesel de dois tempos com indução forçada de alta pressão, particularmente turbocompressor , constituem uma grande porcentagem dos maiores motores a diesel.

Na América do Norte , os motores a diesel são usados ​​principalmente em caminhões grandes, onde o ciclo de baixa tensão e alta eficiência leva a uma vida útil do motor muito mais longa e custos operacionais mais baixos. Essas vantagens também tornam o motor a diesel ideal para uso em ferrovias de transporte pesado e ambientes de movimentação de terras.

Outros motores de combustão interna sem velas de ignição

Muitos aeromodelos usam motores muito simples de "brilho" e "diesel". Os motores de incandescência usam velas de incandescência . Os motores de aeromodelos "Diesel" têm taxas de compressão variáveis. Ambos os tipos dependem de combustíveis especiais.

Alguns motores experimentais do século 19 ou anteriores usavam chamas externas, expostas por válvulas, para ignição, mas isso se torna menos atraente com o aumento da compressão. (Foi a pesquisa de Nicolas Léonard Sadi Carnot que estabeleceu o valor termodinâmico da compressão.) Uma implicação histórica disso é que o motor a diesel poderia ter sido inventado sem o auxílio da eletricidade.
Veja o desenvolvimento do motor de bulbo quente e injeção indireta para significado histórico.

Referências

Veja também

• Motor a gasóleo
• Motor de bulbo quente
• Ciclo misto / duplo
• Combustão parcialmente pré-misturada